基于線性仿真的高頻磁耦合有纜鉆桿信道建模

胡永建， 王 嵐

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械有限公司，北京 102206；2. 新疆寰球工程公司，新疆克拉瑪依 833699）

隨鉆測(cè)量信息采用鉆井液脈沖、電磁波或聲波等通訊方式傳輸時(shí)，傳輸速率低，容易受鉆井液、地層的影響，不能滿足井下隨鉆測(cè)量信息傳輸?shù)男枨蟆Ｓ欣|鉆桿在鉆具中嵌入光纖、雙絞線、同軸電纜等通訊線纜完成數(shù)據(jù)傳輸，適用于空氣鉆井、泡沫鉆井等沒(méi)有連續(xù)液體鉆井介質(zhì)的鉆井施工。作為有纜鉆桿的一種，高頻磁耦合有纜鉆桿利用磁耦合原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在鉆桿間的無(wú)線傳輸，具有常規(guī)鉆桿功能且不影響接單根等常規(guī)操作。繼NOV 公司研制出智能鉆桿后[1]，中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院研制了高速大容量信息傳輸鉆桿（簡(jiǎn)稱信息鉆桿），作為“十三五”深井超深井鉆井完井技術(shù)發(fā)展目標(biāo)[2]，已完成了信息鉆桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前，地面與井下雙向高速可靠的通信仍然存在技術(shù)瓶頸[3]，高頻磁耦合有纜鉆桿具有高速傳輸數(shù)據(jù)的能力，可以實(shí)時(shí)獲得井下信息，將是井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞街籟4]，可用于自動(dòng)化、智能化鉆井等領(lǐng)域。

磁耦合有纜鉆桿組成的井下信息傳輸信道，使用專用調(diào)制解調(diào)器完成信息的收發(fā)。由于信號(hào)在有纜鉆桿信道中傳輸會(huì)衰減，因此需要通過(guò)中繼器放大轉(zhuǎn)發(fā)。為了延長(zhǎng)無(wú)中繼器時(shí)的傳輸距離，需要研究磁耦合有纜鉆桿信道傳輸?shù)奶卣?，在此基礎(chǔ)上選擇合適的載波信號(hào)頻點(diǎn)，并進(jìn)行各類非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度有纜鉆具之間的阻抗匹配。為此，研究人員建立了各種電路模型進(jìn)行信道仿真，電路模型具有明確的物理意義，且其大多數(shù)仿真參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量樣品得到，具有較大實(shí)用價(jià)值。孫浩玉[5]設(shè)計(jì)的磁耦合有纜鉆桿使用普通電纜，載波頻率低于3 MHz，限制了信號(hào)的傳輸速率；劉亞軍等人[6]為了延長(zhǎng)無(wú)中繼器時(shí)的傳輸距離，使用了20 kHz的甚低頻載波，但傳輸速率僅為2 kb/s；中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院研制的信息鉆桿使用了同軸電纜傳輸高頻載波信號(hào)，通訊速率高達(dá)100 kb/s。筆者等人曾分別使用標(biāo)準(zhǔn)二端口網(wǎng)絡(luò)元件級(jí)聯(lián)模型和集總參數(shù)電路與傳輸線混合模型對(duì)信息鉆桿進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果完全吻合[7]。二端口網(wǎng)絡(luò)元件級(jí)聯(lián)模型使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行仿真，難以揭示信道的物理含義；混合模型使用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的鏈接參數(shù)計(jì)算散射參數(shù)，有明確的物理含義，但由于模型的局限性，未考慮變壓器元件初、次級(jí)線圈間繞組電容的影響，也沒(méi)有考慮同軸電纜的各類損耗。

筆者利用物理變壓器元件和同軸電纜傳輸線元件建立了高頻磁耦合有纜鉆桿信道模型，使用ADS（先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)）軟件進(jìn)行了信道模型的線性仿真，并利用建立的模型進(jìn)行了高頻磁耦合有纜鉆桿衰減評(píng)估及特殊有纜鉆具的阻抗匹配。

1 工作原理

文中的高頻磁耦合有纜鉆桿泛指所有應(yīng)用磁耦合原理的有纜鉆具，如有纜方鉆桿、有纜旋塞閥、有纜鉆桿、有纜加重鉆桿、有纜止回閥和有纜鉆鋌等，這些有纜鉆具首尾相連形成了地面與井下的信息通道。高頻磁耦合有纜鉆桿的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖 1 高頻磁耦合有纜鉆桿結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of high-frequency magnetic coupling cabled conventional drill pipe

標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的高頻磁耦合有纜鉆桿水眼內(nèi)有同軸電纜，兩端有磁耦合線圈。鉆桿兩端的公接頭與母接頭處各放置了1 個(gè)磁耦合線圈，2 組線圈通過(guò)穿過(guò)水眼的同軸電纜連接在一起，組成無(wú)源通訊信道。同軸電纜為高頻信號(hào)的低損耗傳輸提供了通路，磁耦合線圈完成高頻信號(hào)在鉆桿間的無(wú)線感應(yīng)傳輸。

當(dāng)2 根有纜鉆桿連接在一起，一根鉆桿公接頭處的磁耦合線圈與另一根相連鉆桿母接頭處的線圈組成磁耦合線圈副，利用近場(chǎng)磁耦合感應(yīng)傳送高頻信號(hào)，如圖2 所示。為了防止高頻信號(hào)在鉆桿金屬本體內(nèi)產(chǎn)生渦流導(dǎo)致信號(hào)衰減，用高頻鐵氧體材料包裹磁耦合線圈副，既能防止產(chǎn)生渦流，又提供了磁場(chǎng)傳輸?shù)拇怕贰６喔鶡o(wú)源有纜鉆具連接在一起，就形成了地面與井下的信息通道。

圖 2 磁耦合線圈副結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Schematic diagram of the magnetic coupling coil pair

2 物理建模

對(duì)于磁耦合系統(tǒng)，可借鑒無(wú)線電能傳輸研究成果，使用耦合模理論、二端口網(wǎng)絡(luò)及電路理論等方法建模[8-11]。耦合模理論和二端口網(wǎng)絡(luò)與具體參數(shù)無(wú)關(guān)，無(wú)法優(yōu)化磁耦合系統(tǒng)的參數(shù)；而電路理論具有直觀的物理含義，在參數(shù)計(jì)算和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。因此，筆者根據(jù)電路理論建模，以指導(dǎo)高頻磁耦合有纜鉆桿的設(shè)計(jì)制造。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)電路元件

多根相似的有纜鉆具組成的信道具有連續(xù)的重復(fù)結(jié)構(gòu)，如何劃分重復(fù)結(jié)構(gòu)的最小單元是一個(gè)難題。如果以單根有纜鉆具作為最小單元，由于有纜鉆桿兩端均是磁耦合線圈，在信道兩端需要加裝帶有磁耦合線圈的測(cè)試接口才能進(jìn)行測(cè)量，這會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差和不確定性，不利于建模仿真。為了解決該難題，每根有纜鉆具的水眼電纜從正中間一分為二，將同軸電纜暴露出來(lái)測(cè)量。最小單元形成的標(biāo)準(zhǔn)電路元件是電路理論建模的基本元件，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電路元件組成了高頻磁耦合有纜鉆桿信道（見(jiàn)圖3）。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電路元件包含2 個(gè)半根水眼電纜和1 個(gè)磁耦合線圈副，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量方便[12]。

圖 3 高頻磁耦合有纜鉆桿信道示意Fig. 3 Channel schematic of high-frequency magnetic coupling cabled drill pipe

在所選的高頻信號(hào)范圍內(nèi)，電磁波波長(zhǎng)約為幾十米，在此條件下，半根水眼電纜的長(zhǎng)度不能忽略，需要使用分布參數(shù)元件描述；磁耦合線圈副尺寸小，可以使用集總參數(shù)電路近似。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電路元件，2 個(gè)半根水眼電纜使用同軸電纜傳輸線仿真；磁耦合線圈副與分離式變壓器[13]有類似的電磁結(jié)構(gòu)，可以使用物理變壓器模型仿真。ADS 軟件提供了類似元件，為建立仿真模型提供了便利條件。

2.2 水眼同軸電纜

為了提高水眼同軸電纜的抗拉能力，同時(shí)減少衰減，將表面鍍銅的鋼絲作為同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體：鋼絲有很好的抗拉能力，表面的銅層可以降低高頻信號(hào)趨膚效應(yīng)帶來(lái)的損耗。

對(duì)于沿導(dǎo)體傳輸?shù)闹绷餍盘?hào)，其電流密度均勻分布于整個(gè)導(dǎo)體截面；而交流信號(hào)僅趨于導(dǎo)體外表面很薄的區(qū)域內(nèi)流過(guò)，對(duì)于圓柱導(dǎo)體，交流信號(hào)的電流密度沿導(dǎo)體橫截面的徑向自外而內(nèi)呈指數(shù)降低，假設(shè)電流均勻流過(guò)薄圓筒導(dǎo)體且具有等效衰減，薄圓筒導(dǎo)體的厚度定義為趨膚深度[14]，其計(jì)算公式為：

式中：δ為趨膚深度，m；f為交流信號(hào)頻率，Hz；μ為導(dǎo)體磁導(dǎo)率，H/m；σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率，S/m。

對(duì)于頻率確定的信號(hào)，趨膚深度越大，衰減越小。對(duì)于3～20 MHz 的高頻信號(hào)，銅的趨膚深度是鋼的3.5 倍[15]，0.2 mm 的銅鍍層可基本消除鋼材料對(duì)衰減的影響。

為了降低水眼電纜的衰減損耗，盡可能選擇橫截面大的電纜；選用具有較好物理特性的PTFE（聚四氟乙烯）材料作為內(nèi)外導(dǎo)體之間的電介質(zhì)材料。雖然特征阻抗為77 Ω 時(shí)的衰減更小，但為了方便測(cè)量，將水眼同軸電纜的特征阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω。

同軸電纜傳輸線有COAX 和COAX_MDS 2 種分布參數(shù)元件可供選擇，推薦使用COAX_MDS 元件仿真水眼同軸電纜，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖 4 COAX_MDS 元件結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of the COAX_MDS component

內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體使用相同的基底材料，外導(dǎo)體的鍍層在內(nèi)側(cè)，內(nèi)導(dǎo)體的鍍層在外側(cè)，鍍層厚度相同，材料相同。雖然可以測(cè)量同軸電纜的部分參數(shù)，但使用標(biāo)準(zhǔn)材料更有利于生產(chǎn)制造，COAX_MDS 元件參數(shù)的含義及取值見(jiàn)表1。

內(nèi)外導(dǎo)體的鍍層電導(dǎo)率σ1使用標(biāo)準(zhǔn)軟銅的電導(dǎo)率；內(nèi)外導(dǎo)體的基底電導(dǎo)率σ2使用標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼的電導(dǎo)率；電介質(zhì)為固態(tài)聚四氟乙烯；半根水眼電纜的長(zhǎng)度按5 m 計(jì)算；其他物理參數(shù)的取值參考RG402/U標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜指標(biāo)。

電介質(zhì)損耗角正切值隨溫度變化，電介質(zhì)損耗、介電常數(shù)及金屬的電導(dǎo)率隨頻率變化[16]，由于在應(yīng)用范圍內(nèi)影響不大，因此取定值。

2.3 磁耦合線圈副

物理變壓器（XFERP）集總參數(shù)元件的等效電路如圖5 所示。

表 1 COAX_MDS 元件的參數(shù)Table 1 Structure of the COAX_MDS component

圖 5 XFERP 元件等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of XFERP component

對(duì)于磁耦合線圈副，變壓器初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)比N為1，以下計(jì)算中不考慮N為其他值的情況。XFERP 元件的大部分參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量磁耦合線圈副得到。

由于使用鐵氧體材料消除金屬渦流的影響，對(duì)于初、次級(jí)線圈銅損R1與R2及渦流損耗，可以忽略渦流損耗部分，只測(cè)量初、次級(jí)線圈的銅損。利用數(shù)字多用表，采用四線法測(cè)得R1和R2為0. 8 Ω。使用Keysight 4294A 阻抗分析儀測(cè)量該變壓器模型的其他參數(shù)。初級(jí)與次級(jí)電容C1與C2可以由變壓器阻抗曲線的諧振點(diǎn)計(jì)算得到，C1和C2為47.6 pF；可以直接測(cè)量初、次級(jí)線圈間的繞組電容C，繞組電容C為端口1，2 之間和端口2，3 之間各C/2 容量電容的和，測(cè)量時(shí)需要去掉鐵氧體材料和金屬基座以消除其影響[17]，測(cè)得繞組電容C為15 pF。這些測(cè)量參數(shù)會(huì)隨頻率變化，但對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，取平均值即可。

通過(guò)測(cè)量初、次級(jí)線圈順接電感與反接電感來(lái)計(jì)算互感，計(jì)算公式為：

式中：Lp為互感，H；Lpos為順接電感，H；Lneg為反接電感，H。

變壓器初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的漏感可表示為：

式中：L1為初級(jí)線圈的漏感，H；L2為次級(jí)線圈的漏感，為次級(jí)線圈開路時(shí)初級(jí)線圈的電感，H；為初級(jí)線圈開路時(shí)次線圈的電感，H。

耦合系數(shù)反映了變壓器初、次級(jí)線圈的耦合程度，定義為[18]：

式中：K為耦合系數(shù)。

由于磁耦合線圈副是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算可得：

測(cè)量發(fā)現(xiàn)，初、次級(jí)線圈的互感與電感都隨頻率變化，導(dǎo)致耦合系數(shù)也隨頻率變化，如圖6所示。

圖 6 互感Lp、耦合系數(shù)K 與頻率的關(guān)系Fig. 6 Relationship between mutual inductance Lp and coupling coefficient K with frequency

互感Lp與耦合系數(shù)K對(duì)模型仿真結(jié)果的影響較大，由于高頻磁耦合有纜鉆桿仿真的目的之一就是選擇衰減最小的頻點(diǎn)，而互感和耦合系數(shù)隨頻率變化導(dǎo)致模型參數(shù)不易確定；另外，磁滯損耗Rc也不易測(cè)得。ADS 軟件具有參數(shù)調(diào)諧功能，可以同時(shí)掃描多個(gè)參數(shù)，便于確定參數(shù)的最終數(shù)值。

2.4 混合電路模型

建立標(biāo)準(zhǔn)電路元件的分布參數(shù)與集總參數(shù)元件的混合電路模型，如圖7 所示。

圖 7 標(biāo)準(zhǔn)電路元件的混合電路模型Fig. 7 Mixed circuit model of standard circuit components

圖7 中，COAX_MDS 元件的參數(shù)按照表1 設(shè)定，XFERP 元件的參數(shù)按照磁耦合線圈副的測(cè)量參數(shù)設(shè)定，無(wú)法測(cè)量的Lp，Rc和K通過(guò)調(diào)諧確定。為了方便標(biāo)準(zhǔn)電路元件的級(jí)聯(lián)仿真，將該混合電路模型創(chuàng)建為標(biāo)準(zhǔn)元器件單元，具有P1和P2兩個(gè)端口，同時(shí)繪制了圖形符號(hào)。

3 線性仿真

ADS 軟件可以提供直流、交流、S參數(shù)（散射參數(shù)）、諧波平衡、增益壓縮、電路包絡(luò)、瞬態(tài)和電磁結(jié)構(gòu)等仿真功能，利用其可進(jìn)行線性和非線性仿真[19-20]。線性仿真是頻域、小信號(hào)電路的仿真分析方法，利用ADS軟件先計(jì)算電路中每個(gè)器件的線性參數(shù)，如S參數(shù)等，然后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行分析及仿真，得到線性電路的幅頻等特性。筆者使用S參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，專門準(zhǔn)備了高頻磁耦合有纜鉆桿樣品：將一根有纜標(biāo)準(zhǔn)鉆桿一分為二，接到另一根有纜鉆桿的兩端，組成2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電路元件的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，該二端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗50 Ω 水眼同軸電纜暴露在外，使用KeySight E5061B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量其傳輸特性，掃描頻率設(shè)定為0.1～20.0 MHz，掃描步長(zhǎng)為0.1 MHz，開啟平均測(cè)量功能。

圖8 為與該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電路元件級(jí)聯(lián)的仿真電路。其中Cell_Unit 為創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)電路元件，終端阻抗為50 Ω。掃描頻率范圍設(shè)定為0～20.0 MHz，步長(zhǎng)為0.1 MHz，與測(cè)量用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置一致。

根據(jù)樣品實(shí)測(cè)結(jié)果可以確定高頻信號(hào)的載波頻點(diǎn)約為7.5 MHz，由圖6 可知該頻點(diǎn)的互感Lp約為260 nH，耦合系數(shù)K約為0.46，將此參數(shù)代入仿真電路，對(duì)互感Lp、耦合系數(shù)K和不易測(cè)得的磁滯損耗Rc調(diào)諧，調(diào)諧中發(fā)現(xiàn)前2 個(gè)參數(shù)對(duì)頻點(diǎn)位置的影響較大，而磁滯損耗只影響衰減的大小。

固定K=0.46，最終得到調(diào)諧結(jié)果如圖9 所示，此時(shí)微調(diào)后的互感Lp=240 nH，磁滯損耗Rc=45 Ω，仿真結(jié)果與樣品實(shí)測(cè)結(jié)果一致，7.5 MHz 頻點(diǎn)附近的衰減約為-9 dB。

圖 8 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電路元件級(jí)聯(lián)的S 參數(shù)仿真Fig. 8 Sparameter simulation of two cascaded standard circuit components

從圖9 可以看出，在0～20 MHz 頻率范圍內(nèi)有2 個(gè)諧振峰，選用第一諧振峰的頻點(diǎn)作為傳輸高頻信號(hào)載波的頻點(diǎn)。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)電路元件混合電路模型及其級(jí)聯(lián)具有有效性和準(zhǔn)確性，可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)磁耦合有纜鉆桿。

圖 9 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比較Fig. 9 Comparison on the results of simulation and test

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用

為了延長(zhǎng)無(wú)中繼器時(shí)的傳輸距離，根據(jù)信道仿真分析結(jié)果，選擇最低衰減時(shí)的載波頻點(diǎn)、定量分析衰減程度和匹配不同阻抗有纜鉆具間的阻抗。這里以匹配有纜鉆具的阻抗來(lái)說(shuō)明模型線性仿真在磁耦合有纜鉆桿設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

高頻磁耦合有纜鉆具的水眼電纜長(zhǎng)度（約10 m）各不相同，有纜方鉆桿長(zhǎng)一些，有纜止回閥等短一些，而有纜鉆具的長(zhǎng)度不同，輸入與輸出的阻抗也不同，如果直接連接起來(lái)，會(huì)因?yàn)樽杩共黄ヅ鋵?dǎo)致信道衰減。使用圖8 所示的級(jí)聯(lián)電路，設(shè)定不同的水眼電纜長(zhǎng)度（注意，標(biāo)準(zhǔn)電路元件中是2 個(gè)半根水眼電纜），完成不同水眼電纜長(zhǎng)度的線性仿真，得到第一諧振峰的頻點(diǎn)變化情況（見(jiàn)圖10）。

圖 10 不同電纜長(zhǎng)度有纜鉆具的第一諧振峰頻點(diǎn)Fig. 10 The first resonant peak frequency of a wired drill pipe with different lengths

由圖10 可知，有纜鉆具長(zhǎng)度不同，諧振峰頻點(diǎn)也不同。為了匹配不同長(zhǎng)度有纜鉆具的阻抗，可以在標(biāo)準(zhǔn)電路元件中接入電感和電容，在鉆具的兩端（磁耦合環(huán)位置）或水眼電纜中間接入電感和電容。以2 m 長(zhǎng)的有纜止回閥為例，在兩端磁耦合環(huán)位置并聯(lián)電容，即相當(dāng)于增加磁耦合線圈副XFERP 元件中的初、次級(jí)線圈的電容C1、C2。在該有纜止回閥兩端各接入半根有纜常規(guī)鉆桿，設(shè)定有纜止回閥COAX_MDS 元件的長(zhǎng)度L為2 m，直接調(diào)諧C1和C2，使第一諧振峰頻點(diǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)磁耦合有纜鉆桿的7.5 MHz頻點(diǎn)處，確定附加的并聯(lián)電容為800 pF，仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖 11 有纜止回閥阻抗匹配Fig. 11 Impedance matching of wired check valve

由圖11 可見(jiàn)，第一諧振峰的頻率從阻抗匹配前的13.2 MHz 移至標(biāo)準(zhǔn)磁耦合有纜鉆桿的7.5 MHz頻點(diǎn)處，衰減從-3.5 dB 減小至-2.3 dB，阻抗匹配后的有纜止回閥可以直接與有纜鉆桿連接。實(shí)測(cè)表明，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院研制了φ127.0 mm高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)，包括地面系統(tǒng)及各類有纜鉆具。地面系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、司鉆顯示器及便攜測(cè)試儀；有纜鉆具包括無(wú)線短節(jié)、有纜鉆桿、有纜方鉆桿和有纜震擊器等10 余種鉆具。為了避免發(fā)生通訊故障時(shí)起鉆，該有纜鉆桿系統(tǒng)還配備了鉆井液脈沖信號(hào)備用信道。地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器具備井下中繼器組網(wǎng)通訊和全井筒分布參數(shù)測(cè)量顯示功能。

高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)在大慶油田、吉林油田進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完成了全系統(tǒng)、全功能磁耦合有纜鉆桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)累計(jì)入井時(shí)間約110 h，鉆進(jìn)時(shí)間約60 h，進(jìn)尺約4 000 m，使用常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)。試驗(yàn)信號(hào)載波頻率為7.5 MHz，使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式，通訊速率為100 kb/s。該系統(tǒng)通訊速率是常規(guī)鉆井液脈沖通訊的數(shù)萬(wàn)倍，與NOV 公司智能鉆桿的通訊速率（57 kb/s）級(jí)別相同。通過(guò)利用信道建模仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前高頻磁耦合有纜鉆桿無(wú)中繼器傳輸距離已經(jīng)達(dá)到了300 m（約30 根有纜鉆桿的長(zhǎng)度）以上。

6 結(jié)論與建議

1）為了延長(zhǎng)高頻磁耦合有纜鉆桿無(wú)中繼器傳輸距離，利用ADS 軟件建立了高頻磁耦合有纜鉆桿信道模型，通過(guò)模型線性仿真可以確定載波信號(hào)頻點(diǎn)、匹配不同長(zhǎng)度有纜鉆具間的阻抗。

2）將高頻磁耦合有纜鉆桿信道分割為容易測(cè)量的最小重復(fù)單元，由2 個(gè)COAX_MDS 分布參數(shù)元件和1 個(gè)XFERP 集總參數(shù)元件組成混合電路模型。通過(guò)測(cè)量得到部分元件的參數(shù)，通過(guò)調(diào)諧可以確定元件的其他參數(shù)。

3）線性仿真電路模型具有明確的物理含義，能夠解釋變壓器元件初、次級(jí)線圈間繞組電容和物理同軸電纜各類損耗的影響，可用于高頻磁耦合有纜鉆桿的性能優(yōu)化。使用標(biāo)準(zhǔn)元件混合電路模型匹配了非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度有纜鉆具的阻抗，使高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)無(wú)中繼器傳輸距離達(dá)到了300 m 以上。

4）線性仿真電路模型需要先制作樣品再測(cè)量參數(shù)，成本較高，且不易測(cè)量磁滯損耗等參數(shù)，不易體現(xiàn)材料的介電常數(shù)等屬性，建議嘗試?yán)酶哳l電磁結(jié)構(gòu)仿真等技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。